选自cacm.acm.org
作者：Keith Kirkpatrick
机器之心编译
编辑：赵阳
6G 时代还没来，场子先热起来了。
尽管 5G 技术仍处于相对初级的阶段，但从无线运营商到芯片组制造商再到元技术供应商等顶级技术公司都在积极致力于开发无线通信的下一个里程碑，即第六代（6G）。
众多研究者希望使用支持更复杂、数据更加密集的应用程序，这样一来就能连接更多的设备和数据源，并享受持久、无延迟的数据连接。这些愿望进一步推动了对速度更快、容量更大的网络的需求。
有朝一日当 6G 技术全面开发完成时，其可能支持 1TB/s 的数据传输速率（比 5G 提供的 10Gb/s 理论最高速度快 100 倍），网络容量为 5G 网络的 50-100 倍，从而可以容纳一个有更多连接设备的生态系统，允许消费者、工业界和基于基础设施的设备在同一网络上运行，还不会对性能产生不利影响。此外，对比 5G 网络通常存在大约 4 毫秒（ms）的延迟率，6G 可以将延迟降低到接近零，并且每个接入点可能同时支持多个客户端。
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然而，6G 的愿景及其技术基础仍在形成中，因为当下各种技术公司、政府和行业团体都致力于开发能够支持移动应用、智能城市、V2X（Vehicle to X）通信、虚拟和增强现实技术、可靠以及快速通信的基础设施，甚至个人生物数据系统。
「我认为 6G 的关键点在于这将是一个网络的网络，一个互补技术的混合体，到时候定会令人耳目一新。」英国自动化测试和信息安全服务方案提供商 Spirent 的市场战略主管 Stephen Douglas 说。「除了拥有一个宏达的地面网络，你还可能拥有人体区域网络，人类也会是其中的一部分。」Douglas 补充说，6G 可能会允许无线网络与卫星、无人机、海上和光纤连接网络互连，从而形成一个完全连接的生态系统。
标准尚未制订，市场已具热度
目前，虽然还没有制定或发布 6G 标准，这只是因为仍有大量工作还需完成，特别是在管理用于无线信号传输技术功耗和信号传播方面。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）已分配 95 GHz 和 3THz 用于早期研究、开发和测试。2020 年 10 月，总部位于华盛顿特区的标准组织电信行业解决方案联盟（the Alliance for Telecommunications Industry Solutions，ATIS）成立了「下一个 G 联盟」。ATIS 包括所有四家主要电信公司（AT&T、T-Mobile、U.S. Cellular 和 Verizon），以及爱立信、Meta、英特尔、LG、微软和高通等公司，旨在推动美国在推出 6G 方面的领先地位，其重点是在 6G 部署的生命周期内，从研发和制造到标准化和市场准备几个方面，协调该技术的市场参与者。
当然，其他国家和公司也在努力开发可用于 6G 网络开发的技术。芬兰奥卢大学启动了 6Genesis 研究项目，以制定 2030 年的 6G 愿景，并与日本的 Beyond 5G 推进联盟签署了合作协议，以协调芬兰 6G Flagship 在 6G 技术方面的工作。与此同时，韩国电子和电信研究所正在对 6G 的太赫兹频段进行研究，三星宣布计划在芯片组制造等领域投资 2000 多亿美元，以支持 6G 基础设施和设备的开发。
在美国，人们不仅要思考如何攻克以极高频率发送数据的技术挑战，还要确定 6G 网络如何能够最好地服务于一系列新的数据密集型应用。
「我们试图用 6G 实现的是从美国的角度将行业、政府和学术界联系在一起，这不仅要从技术角度考虑，还要考虑应用程序、社会驱动因素、未来需求的多样化，以及我们认为需要多年才能解决的所有大市场。」ATIS 技术和解决方案副总裁 Mike Nawrocki 说到。「我们必须跨越所有这些不同的维度，这不仅仅是技术领域的问题。」
IEEE 2022 年版《国际网络世代路线图》呼应了这一观点，指出网络世代的演进和部署不仅受到新兴、演进和潜在技术融合的影响，而且还受到世界社会经济和健康状况（以及政治）的影响。
6G 的商业化可能需要 8 到 10 年，因为必须在开发合适的应用程序及用例、设置 6G 标准及度量以及构建和测试网络技术和基础设施方面需要完成大量工作。与全功能 5G 网络相比，6G 在提供更高的速度、可靠性、弹性、容量和更低的延迟方面还存在着技术障碍，这是一个重大挑战。
高频频谱传播限制
6G 技术发展的一个关键挑战是寻找传输数据速率更快的技术方法。目前已经出现了几种方法，但可能会使用到能够支持在其部署区域内提高频谱效率的信号复用技术，包括非正交多址接入技术（NOMA）、大规模多输入多输出（mMIMO）等技术。虽然这些方法提供了更大的容量（在一个区域内可以服务的用户数量方面），但它们并没有提高每个设备或用户的频谱效率，这意味着每个被服务的设备都不会得到更多的数据容量。此外，这些方法可以引入更大的系统延迟，并且能量利用效率较低。也就是说，之前提出的基于正交频分复用（OFDM）的 NOMA 系统在频谱效率方面已经实现了较为合理的增益。OFDM 用于 5G 系统，也用于 Wi-Fi 802.11 无线局域网标准。
支持更大的设备数据量的另一种方法是将常规 OFDM 波形与附加调制技术配对，该附加调制技术可以创建另一维度来传送每个 OFDM 信号的额外数据。有关研究已经报道了诸如空间调制 OFDM（SM-OFDM）、子载波索引调制 OFDM（SIM-OFDM）、具有索引调制的 OFDM（OFDM-IM）和具有子载波数调制的 OFDM（OFDM/SNM）等技术，这些技术可能被认为是在 6G 系统内提供更高数据吞吐量的潜在技术。
除了需要支持更高的数据速率外，通过空中接口发送数据通常需要比 4G 或 5G 网络更高的频率。如今的 5G 信号往往在 3.4Ghz 到 3.8Ghz 的范围内工作，而未来的 5G 工作频率高达约 5Ghz，无线 6G 网络可能会使用太赫兹或亚太赫兹范围内的频率，大约 95Ghz 到 3THz。信号传播中存在的挑战：无线电信号能够传播的距离随着传输频率的增加而减小。考虑到高频 6G 信号的辐射范围相对较短（10 米），预计 6G 网络的较短传输范围可能需要更密集的基站和中继器网络来提供足够的覆盖。
在不安装数百或数千个天线或信号中继器的情况下使用高频频谱来传送无线电波的一个潜在解决方案是使用可配置的智能表面材料，这种由具有特殊性质的材料制成的设备可用于重定向 6G 信号并用作放大器，同时还不需要专用电源。石墨烯就是这样的一种材料，它是一种单层、六边形矩阵基材料，可以配置为感测和反射特定方向上的电磁波，进而增强和反射无线信号。
根据成功测试潜在 6G 无线方案的报告，目前 6G 已经取得了一些进展。LG 电子和欧洲研究实验室 Fraunhofer-Gesellschaft 使用自适应波束形成和高增益天线切换技术，可以在 155GHz-175GHz 频段约 300 英尺处进行 15 分贝毫瓦（dBm）的传输。中国工业和信息化部也在投资 6G 研发项目。2022 年 1 月，中国的紫金山实验室（Purple Mountain Laboratories）宣布，其所属的一个研究团队已经实现了高达 206.25 千兆比特每秒的无线传输，尽管是在受控环境中实现的。
6G：网络的网络？
不过，行业观察人士表示，6G 不仅仅是空中接口；考虑到需要网络接入的各种应用以及未来某些技术的融合，6G 标准可能包括多种接口类型。用「网络中的网络」来解释似乎最有意义。
IDC 无线和移动连接技术和半导体赋能技术团队的研究总监 Phil Solis 表示：「许多『未来』的应用程序在营销时与 5G 或 6G 捆绑在一起，但实际上，它们可能主要通过 Wi-Fi 运行，因为在 Wi-Fi 6 中，从技术层面来说，是从 OFDM 发展到 OFDMA，更像 6G。」OFDMA（正交频分多址）是 Wi-Fi 6 中的一种技术，通过将称为资源单元（RU）的子载波子集分配给各个客户端，支持更大的数据传输信道和更高的安全性，从而实现与多个客户端的并发上行链路和下行链路通信。「所以也可以说是 Wi-Fi 也越来越好，」Solis 补充道。
其他专家也指出了未来应用具有的混合性质。例如，家庭内的数据可能使用支持非常高数据速率的最新版本的 Wi-Fi。根据由 IEEE 赞助的 IRDS（International Roadmap for Devices and Systems）主席 Paolo Gargini 的说法，如果数据需要发送到家庭以外的地方，将使用某种类型的光纤连接将该信号发送到蜂窝塔，因为与在一个较小地理区域内构建庞大的天线和中继器网络相比，光纤技术在人口稠密地区的安装成本可能更低。
Gargini 说：「如果你真的想在 10 年后实现 6G，目前来看还有很多基础设施需要落实到位。现实是，如果你真的想携带这种更高的频率，比如 6G，你必须使用光纤，需要注意的是，使用非常高的亚太赫兹和太赫兹频谱传输数据时信号传播存在着局限性。」
华为的 6G 方案用另一种方式将不同的网络融合起来。这家中国科技巨头宣布计划通过发射几颗低轨道或极低轨道（LEO/VLEO）卫星来整合地面和非地面网络，以形成一个巨型卫星星座，这将扩大地面蜂窝基础设施的覆盖范围，并为超长距离传输提供新的低延迟解决方案。预计这两个网络将被深度集成为一个系统，其中陆地和非陆地网络节点可以以类似的方式被视为基站，使用户能够在不同的服务条件下利用每种类型的优势。
根据 IEEE 卫星工作组的说法，他们已经确定了结合几种技术、指标和方法的用例，预计在北美及北美以外地区，6G 卫星将为非陆地网络 (NTNs) 提供前所未有的 KPI 和 QoS。该协会 2022 年版《国际网络世代路线图》的一章中描述了使用卫星技术支持 5G 和 6G 网络的技术障碍和解决方案，包含结合直接卫星接入和卫星回程、卫星物联网、卫星网络的毫米波、网络管理、QoS/QoE、安全性以及 3GPP、ETSI、ITU 和 IEEE 最近的标准化活动的用例的丰富描述。
另一种提高数据传输速度、降低功耗的方法是日本电信公司 NTT 的 6G 方案，该工作方案包括开发和测试一种使用端到端光通信基础设施的无线网络，称为 IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）。该网络使用光子或光束传输数据，而不将信号转换为电信号。由于不需要信号转换，与传统网络相比，NTT 的目标是将功耗、端到端延迟和传输容量水平提高 100 倍。
然而，值得注意的是，鉴于需要完成大量的技术和资金筹措工作，6G 的愿景以及任何潜在的标准方法可能会在其商业推出之前发生变化。从技术角度来看，只要各种网络之间的接口被标准化以允许数据跨网络流动，实际的 6G 体系结构标准在未来可能不会那么重要。
「我认为 6G 是将 Wi-Fi 和蜂窝技术真正融合在一起的机会，」来自思博伦通信的 Douglas 说。「难道我们不能仅仅拥有一种通用无线连接，可以将它们连接到所需的任何类型的后端网络吗？只要它们之间的互操作性是标准化的，6G 网络的底层可能会完全不同。」
原文链接：https://cacm.acm.org/news/263802-the-road-to-6g/fulltext
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